SPRAWOZDANIE DO ĆWICZENIA LABORATORYJNEGO Z FIZYKI BUDOWLI
DATA 26.11.2009
NUMER ĆWICZENIA 4

Temat ćwiczenia

Rozkład temperatury i ciśnienia pary wodnej w przegrodzie.

Cel i zakres ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z programem komputerowym Purmo OZC. Projektowanie przegród odpowiadających normom cieplnym.

Zakres ćwiczenia

Zakres ćwiczenia obejmuje wykonanie przegrody budowlanej o jak najmniejszym współczynniku przenikania ciepła, uwzględniając rozkład temperatur i ciśnienia pary wodnej w przegrodzie. Analiza przeprowadzonego ćwiczenia.

Podstawy teoretyczne

Temperatura – jedna z podstawowych wielkości fizycznych w termodynamice, będąca miarą stopnia nagrzania ciał. Temperatura jest związana ze średnią energią kinetyczną ruchu i drgań wszystkich cząsteczek tworzących dany układ i jest miarą tej energii. Temperatura jest miarą stanu cieplnego danego ciała. Jeśli dwa ciała mają tę samą temperaturę, to w bezpośrednim kontakcie nie przekazują sobie ciepła, gdy zaś mają różne temperatury, to następuje przekazywanie ciepła z ciała o wyższej temperaturze do ciała o niższej - aż do wyrównania się temperatur obu ciał.

Ciśnienie cząsteczkowe –ciśnienie, jakie wywierałby dany składnik mieszaniny gazów, gdyby w tej samej temperaturze sam zajmował tą samą objętość. Ciśnienia cząstkowe można wyliczyć wykorzystując równanie Clapeyrona (prawo stanu gazu doskonałego):

gdzie:

p_i - ciśnienie cząstkowe składnika "i"

n_i - liczność (liczba moli) składnika "i"

V - objętość mieszaniny gazowej

R - uniwersalna stała gazowa

T - temperatura.

Prawo Daltona - ciśnienie wywierane przez mieszaninę gazów jest równe sumie ciśnień wywieranych przez składniki mieszaniny, gdyby każdy z nich był umieszczany osobno w tych samych warunkach objętości i temperatury, jest ono zatem sumą ciśnień cząstkowych.

Ciśnienie nasycenia – powietrza parą wodą jest bezpośrednio zależny od rozkładu temperatur.

Współczynnik przenikania ciepła – przenikanie ciepła obejmuje wszystkie trzy rodzaje wymiany ciepła: konwekcję, promieniowanie na powierzchniach i przewodzenie w przegrodzie. Zatem przenikanie ciepła jest to przejmowanie ciepła na powierzchniach przegrody oraz przewodzenie przez materiał przegrody. Współczynnik przenikania ciepła U jest to ilość ciepła przenikająca przez przegrodę w odniesieniu do jednostki powierzchni przegrody, czasu i różnicy pomiędzy temperaturą powietrza wewnętrznego i zewnętrznego, czyli gęstość ustalonego strumienia ciepła przepływającego między dwoma obszarami powietrznymi, przedzielonymi przegrodą, jeśli różnica temperatury między obszarami wynosi 1K. Jednostką miary jest W/m²K.

Wyniki i wnioski z przeprowadzonego ćwiczenia metodą komputerową

Do wykonania ćwiczenia przyjęto przegrodę składającą się z następujących warstw:

- bloczki ścienne KONTRA-40 z trocinowiórami o grubości 0,188 m, gęstości ρ = 650 (kg/m³), współczynniku przewodzenia ciepła λ = 0,20 (W/m∙K), oporze R = 0,94 (m²∙K/W).

- płyty z wełny mineralnej WENTROCK, o grubości 0,150 m, gęstości ρ = 81 (kg/m³), współczynniku przewodzenia ciepła λ = 0,037 (W/m∙K), oporze R = 4,054 (m²∙K/W).

- warstwy powietrza dobrze wentylowanej o grubości 2cm.

- muru z cegły klinkierowej o grubości 0,120 m, gęstości ρ = 1900 (kg/m³), współczynniku przewodzenia ciepła λ = 1,05 (W/m∙K), oporze R = 0,114 (m²∙K/W).

Jest to przegroda ściany zewnętrznej, w warunkach wilgotnościowych średnio wilgotnych. Jest to przegroda wielowarstwowa o grubości 0,478m (tak jak podaje rozporządzenie tynk po wewnętrznej stronie przegrody nie jest uznawany za warstwę). Temperatura po stronie wewnętrznej przegrody wynosi 20^oC, po stronie zewnętrznej przegrody -16 ^oC. Przyjęto strefę klimatyczną

Program obliczył, że suma oporów przejmowania i przewodzenia wyniosła 5,25 (m²∙K/W), a współczynnik przenikania ciepła U 0,190 W/m²∙K.

Przegroda (spełnia lub nie)wymagania stawiane przez rozporządzenie. Wartość współczynnika jest dużo mniejsza niż norma podaje jej maksymalną wartość. Pustka powietrzna sprawia iż przegroda jest dobrze wentylowana i zapobiega ona kondensacji pary wodnej w przegrodzie.

W następstwie zróżnicowanych warunków cieplno-wilgotnościowych po obydwu stronach przegrody zewnętrznej przegrody budowlanej, dochodzi do przepływu przez nią strumienia ciepła i wilgoci. W efekcie powstaje więc charakterystyczny dla warunków i właściwości przegrody rozkład temperatury i związanego z nią ciśnienia stanu nasycenia oraz rzeczywistego ciśnienia pary wodnej w przegrodzie. Znajomość rozkładu ciśnień pary wodnej w przegrodzie pozwala sprawdzić czy nie dochodzi do kondensacji pary wodnej, a także określić jaka ilość pary wodnej dyfunduje przez przegrodę. W przegrodzie zewnętrznej rozdzielającej środowiska o zróżnicowanych warunkach temperaturowych zachodzi dyfuzja pary wodnej. Podczas transportu przez przegrodę zachodzi niebezpieczeństwo kondensacji pary wodnej na powierzchni (zależy od izolacyjności termicznej przegrody) lub wewnątrz przegrody ( zależy do właściwości i układu warstw przegrody). Kondensacja zachodzi wówczas gdy ciśnienie rzeczywiste pary wodnej lokalnie równa się lub nawet przekracza wartość ciśnienia nasycenia.

Wyniki i wnioski z przeprowadzonego ćwiczenia metodą samodzielną

Obliczenie oporu całkowitego:

R_si = 0,13 (m²∙K/W)

R _bloczek = ^d/_λ = 0,188 / 0,200 = 0,94 (m²∙K/W)

R _wełna = ^d/_λ = 0,150 / 0,037 = 4,05 (m²∙K/W)

R _{pustka powietrzna} = ^d/_λ = 0 (m²∙K/W)

R _cegła = ^d/_λ = 0,120 / 1,050 = 0,114 (m²∙K/W)

R_se = 0,04 (m²∙K/W)

ΣR = 5,25 (m²∙K/W)

Obliczenie współczynnika przenikania ciepła

U = ¹/ _{Rsi + ΣR +Rse} = ¹/_5,25 = 0,190 (W/ m²∙K)

Obliczenie rozkładu temperatur w przegrodzie

t_n = t_n+1 – R_n ( t_i – t_e ) U

gdzie: t_n – temperatura po stronie chłodniejszej

t_n+1 – temperatura po stronie cieplejszej

R_n – opór przewodzenia warstwy

t_i – temperatura wewnętrzna

t_e – temperatura zewnętrzna

U- współczynnik przenikania ciepła

t_si = 20^oC – 0,13 ( 20 –(-16) ) 0,19 = 19,11 ^oC

t₁ = 19,11^oC – 0,94 ( 20 –(-16) ) 0,19 = 12,68 ^oC

t₂ = 12,68^oC – 4,050 ( 20 –(-16) ) 0,19 = -15,02 ^oC

t₃ = -15,02 ^oC – 0,0 ( 20 –(-16) ) 0,19 = -15,02 ^oC

t₄ = -15,02 ^oC – 0,114 ( 20 –(-16) ) 0,19 = -15,79 ^oC

Wyniki otrzymane z policzenia samodzielnego poszczególnych wartości różnią się. Program komputerowy korzysta z pewnych norm i przeliczeń których samodzielnie nie używamy. We własnych obliczeniach opieramy się na normie Pn-91/B-02020 i wzorach dostępnych w każdej książce związanych z fizyką budowli.

Wniosek końcowy

Na podstawie obydwu wyników można stwierdzić, że zaprojektowana przegroda budowlana w przedstawionym układzie warstw spełnia (lub nie) wymagania cieplne odnośnie współczynnika przenikania ciepła zawartych w normie PN-91/B-02020 „Ochrona cieplna budynków” i wynosi 0,19 W/ m²∙K .

Wykonane obliczenia obydwu przypadkach eliminują możliwość wystąpienia kondensacji pary wodnej wewnątrz przegrody, dzięki zastosowaniu pustki powietrznej pomiędzy warstwą izolacji termicznej a cegłą klinkierową, służącą jako również jako element estetycznego wykończenia lica muru. Wynika z tego iż w okresie zimowym nie wystąpi kondensacja pary wodnej, a zatem ściany pozostaną suche przez cały rok.

Na podstawie przeprowadzonych powyżej obliczeń wynika, że przegroda może być stosowana do budowy domków jednorodzinnych.